高层框架结构在高烈度地区的抗震性能分析

　　[摘要]本文运用静力弹塑性(Push-Over)分析方法，对高层框架结构及添加少量剪力墙框架结构的受力性能，屈服、破坏机制及整体抗倒塌能力进行评估。结论表明，添加少量抗震墙可以很好地改善层间弹性、弹塑性变形，同时提高框架结构的抗倒塌能力，改善塑性铰分布状态，延长整体结构的塑性发展过程。
　　[关键词]剪力墙，框架结构，弹塑性，变形，抗倒塌能力
　　0引言
　　我国的抗震设防目标是在小震作用下，建筑处于正常使用状态，从结构抗震角度分析可以视为弹性体系，采用弹性反应谱进行弹性分析；在中震作用下，结构进入非弹性工作阶段，但非弹性变形和结构体系的损坏控制在可修复的范围；在大震作用下，结构有较大的非弹性变形，但应控制在规定的范围内，以免倒塌。
　　规范对于一般规则结构是以小震下的弹性分析进行内力计算的，在遭遇大震时，通过概念设计和抗震构造措施来满足大震不倒的要求。对于规则结构可以在预先设定的能发挥延性变形性能的位置（如梁端）进入塑性阶段，有合理的塑性铰分布，大震下靠构件的塑性来耗能。对于不规则的结构，如果存在薄弱的部位，可能会在地震下首先进入塑性阶段，大量吸收地震能量并导致破坏，还可能因局部破坏而造成整体结构的倒塌。正是因为弹性分析方法无法确切掌握结构在大震下进入塑性后的实际反应，所以在弹性分析的基础上，要通过弹塑性分析方法验算结构在大震下的位移和塑性铰分布，进行防倒塌的第二阶段验算。
　　为了保证结构整体刚度和整体安全需要对结构弹塑性层间位移进行控制。计算层间变形的主要方法包括：静力弹塑性分析方法（push-over法）、弹塑性时程分析法等。
　　弹塑性动力时程分析是一种直接动力计算方法，能比较准确而完整地得出结构在罕遇地震作用下的结构地震反应全过程，包括每一时刻的构件变形和内力、每一时刻的结构位移、速度和加速度，弹塑性时程分析还可以得到杆件屈服的位置、塑性变形等。也可以得到各种反应的最大值，而各种反应的最大值并不一定在同一时刻出现。直接动力分析方法既考虑了地面震动的振幅、频率和持续时间三要素，又考虑了结构的动力特性，是一种较先进的直接动力计算方法，只是计算分析工作繁琐。事实上，弹性反应谱就是通过直接动力方法计算得到的。
　　push-over方法是对结构在罕遇地震作用下进行弹塑性变形分析的一种简化方法，本质上是一种静力分析方法。具体地说，就是在结构计算模型上施加按某种规则分布的水平侧向力，单调加载并逐级加大；一旦有构件开裂（或屈服）即修改其刚度（或使其退出工作），进而修改结构总刚度矩阵，进行下一步计算，依次循环直到结构达到预定的状态（成为机构、位移超限或达到目标位移），从而判断是否满足相应的抗震能力要求。Push-over方法分为两部分，首先建立结构荷载—位移曲线，然后评估结构的抗震能力。该方法能够很好地估计结构的整体和局部弹塑性变形，同时也能揭示弹性设计中存在的隐患（包括层屈服机制、过大变形以及强度、刚度突变等）。在一定适用范围内push-over方法能够较为准确地反映结构的非线性地震反应特征，对于层数不太高，非高振型主导的结构，不失为一种可行的简化分析方法。
　　针对层间变形不能满足层间弹性位移角限值的高层框架结构或整体刚度较差的高层框架结构可以考虑添加少量混凝土抗震墙的方式来增加结构整体冗余度。本文旨在运用静力弹塑性分析方法对框架结构及少剪力墙框架结构的受力性能，屈服、破坏机制及整体抗倒塌能力进行评估。
　　1少剪力墙框架结构损伤模型
　　以弹性层间位移角不满足规范限值[1/550]的框架结构为例，在模拟大震作用下的静力推覆验算中该框架结构形成机构，不能通过大震下的抗倒塌验算。
　　图1L=4h；Mov=13.69%；图2L=5h；Mov=17.35%；
　　θp=1/80.θp=1/90.
　　图1、图2是在原有框架结构的基础上，对结构平面的四角加L型墙体，墙肢长度分别为4、5倍墙肢厚度，墙体所占倾覆力矩比例分别为13.69%、17.35%。总体上讲，加少量墙体后可以使框架具备抗倒塌能力。在性能控制点处，大多数梁基本上进入了塑性阶段，且与墙体相连的梁端首先出铰，墙肢较长的模型对全梁出铰的延迟效果更明显；但整体结构的首层和顶部几层墙体破坏严重，尤其在L型墙转角处角柱出现拉断，需要重点加强。从整体耗能机制来讲，较长墙肢的塑性发展更充分，总加载步数更多、性能点滞后，说明较长墙肢的塑性发展过程长，刚度退化更充分。
　　图3L=4h；Mov=37.20%；图4L=5h；Mov=42.14%；
　　θp=1/95.θp=1/108.
　　图3～图6是在原有框架结构的基础上，对结构平面四角及中部添加墙体，墙肢长度分别为4、5、6、7倍墙肢厚度，墙体所占倾覆力矩比例分别为37.20%、42.14%、47.28%、52.30%。总体上讲，在使框架具备很好的抗倒塌能力。在性能控制点处，
　　纯框架不满足抗倒塌验算的情况下，加墙体后可以
　　图5L=6h；Mov=47.28%；图6L=7h；Mov=52.30%；
　　θp=1/122.θp=1/139.墙体数量越多，梁端出铰越少，当墙体倾覆力矩比例超过50%时，基本靠墙体耗能，只与墙体相连的梁端出铰，其余梁在性能点处都没有出铰；但整体结构的首层和顶部几层墙体破坏严重，尤其在L型墙转角处角柱出现拉断，需要重点加强。从整体耗能机制来讲，四个损伤模型的基底剪力比逐步减小、总加载步逐渐增多，说明墙肢越长、数量越多，墙肢开裂耗能越多，塑性发展越充分、塑性发展过程越长，刚度退化越多。
　　若框架结构满足小震弹性侧向变形要求，只是整体刚度较差，增加少量墙体后可以使框架具备更好的抗倒塌能力。在性能控制点处，梁的出铰量比纯框架结构少，基本集中在与墙体相连的梁端。当墙体数量较多时，则与墙体相连的梁端都率先出铰，对结构耗能作用明显，有利于框架对后续地震作用的抵御。
　　2少剪力墙框架结构的抗倒塌验算
　　如图1、图2中的高层框架结构不能通过大震作用下的抗倒塌验算，加少量墙体后，能力曲线可与需求谱曲线产生交点，但能力曲线仍处于下降段（见图7）。
　　图7L=4h；Mov=13.69%；θp=1/80.
　　图图8L=4h；Mov=37.20%；θp=1/95.
　　图9L=5h；Mov=42.14%；θp=1/108.
　　如图3～图6随着墙体数量的增加，能力曲线逐渐有所提升（见图8～图9），能力曲线与需求谱曲线有明显的交点，弹塑性层间位移角逐步减小。说明增加少量抗震墙有利于提高大震下的塑性变形和抗倒塌能力。
　　3弹塑性变形分析
　　以不能满足大震下静力推覆验算的纯框架结构为例，加少量墙体后，其弹塑性层间位移角满足规范要求（见图10），且满足框架-框剪结构在不同墙体倾覆力矩比例下的弹塑性层间位移角的内插值要求，可见加少量墙体可以改善框架在大震下的抗震性能。
　　图10Mov与θp对应关系图
　　图11Mov与θp对应关系图
　　若框架结构在弹性计算中已能满足规范要求的侧向位移要求，在大震作用下亦能满足静力推覆验算的框架结构，只是侧向刚度较弱，在加少量墙体后，可以改善层间弹性位移，其弹塑性层间位移角也有很好地改善。而且增加不同数量的墙体对弹塑性层间位移角的改善符合框架-框剪结构在不同墙体倾覆力矩比例下的弹塑性层间位移角的内插值基准线要求（见图11）。
　　4结论
　　⑴加少量墙体对框架结构抗倒塌能力有明显提高。
　　⑵增加不同数量的墙体对弹塑性层间位移角的改善符合框架-框剪结构在不同墙体倾覆力矩比例下的弹塑性层间位移角的内插值基准线要求。
　　⑶若框架结构在弹性计算中不满足侧向位移要求，则此框架亦不满足在大震作用下的抗倒塌验算，加少量墙体后在大震作用下梁端及柱端塑性铰分布比较广泛，但是结构整体已具备抗倒塌能力；若框架结构在弹性计算中已能满足侧向位移要求，则加少量墙体后可以改变并减少梁端塑性铰分布，当墙体刚度退化后框架仍然可以很好地抵御后续地震作用。
　　⑷框架结构增加墙体后，墙体率先开裂、与墙肢相连的梁端先出铰，同时延迟其余梁出铰，甚至在性能控制点处，保证其余大多数梁不出铰，使框架结构在强烈地震后仍具有抵抗余震的能力。
　　参考文献
　　[1]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
　　[2]多层及高层建筑结构弹塑性静力、动力分析软件PUSH&EPDA用户手册及技术条件，中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部（2008版）

《高层框架结构在高烈度地区的抗震性能分析》

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